（机械工程专业论文）纸浆发泡工艺及机理研究.pdf

摘要 学科专业：印刷包装技术与设备 研究生：韩振兴 指导教师：郭彦峰教授 王宏涛讲师 摘要 竺鏊l 鳓勺签名：翌强型手l 哆之劣勺 签名：皿7 矽妫勺 泡沫塑料系列缓冲材料在完成包装运输任务后，它就成了占用空间的无用废品，加上 一次性泡沫塑料餐具的使用，这就产生了大量的废弃泡沫塑料。又由于泡沫塑料类材料的 回收利用价值极低，这又导致了泡沫塑料的回收率的极低。如此循环，大量废弃的泡沫塑 料进入自然环境中，对生态环境造成了极大的危害。环保类的缓冲包装材料现已成为国内 外的研究热点，但在国内此项目还没有成熟的产品。因此，本课题的主要研究内容为纸浆 发泡材料的试验配方、发泡工艺。主要研究工作包括： ( 1 ) 纸浆纤维是一种没有粘性的材料，它无法自行留住气泡，因此需要加入黏合剂 来帮助它留住气泡。本文主要结合相关理论，通过大量的试验来分析黏合剂、发泡剂和助 剂的作用，以及不同组成和含量对发泡效果的影响。 ( 2 ) 改进了黏合剂配方使得黏合剂既具有足够的粘性联结纸浆纤维，且在发泡剂 作用下形成孔隙均匀的海绵体结构，又使的试样在干燥时具有一定的刚性和韧性。 ( 3 ) 优化复合发泡剂组成，使得发泡剂的产气速度，产气持续时问更加符合试验要 求，即从试验各组分混合完成放入模具开始加热到试验基本干燥完成，发泡剂都能匀速持 续的产生气体。 通过研究与试验分析，得到最佳试验配方：纸浆：5 0 9 、p v a l 7 9 9 溶液1 3 9 、淀粉1 2 9 、 聚丙烯酸钠2 9 、复合发泡剂( 碳酸氢钠6 9 、钾明矾2 9 、酒石酸氢钾3 9 、轻质碳酸钙3 9 ) 1 4 9 和助剂5 5 9 ( 增塑剂：2 5 9 ，成核剂：3 9 ) ，发泡温度1 3 0 ( 2 。 关键词：纸浆发泡；发泡工艺；发泡机理： 本研究得到陕西省教育厅科学研究计划项目( 2 0 1 0j k 7 5 7 ) 和西安理工大学创新计划项目 ( 1 0 4 2 1 0 6 0 7 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho np u l pf o a m i n gt e c h n o l o g ya n d m e c h a n i s m m a j o r ：p a c k a g i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h e n x i n gh a n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n f e n gg u o l e c t u r e r h o n g t a ow a n g a b s t r a c t a st h ef o a m e dp l a s t i cp r o d u c t sf i n i s ht h et a s ko fp a c k i n ga n dt r a n s p o r t i n g ，t h ef o a m e d p l a s t i cp r o d u c t sb e c o m et h ew a s t eo fo c c u p y i n gt h es p a c e s ，i na d d i t i o n ，t h eu s eo fd i s p o s a b l e f o a m e dp l a s t i cd i s h w a r e s ，w h i c ha l lc r e a t eal o to fo b s o l e t ef o a m e dp l a s t i c a n da l s ob e c a u s e t h er e c y c l i n gv a l u eo fs o m em a t e r i a ll i k ef o a m e dp l a s t i ci sn o th i g h ，t h er e c y c l er a t eo ff o a m e d p l a s t i ci sv e r yl o w c y c l i n gl i k et h i s ，al a r g en u m b e ro fs u c ho b s o l e t ef o a m e dp l a s t i ci n v a d e st h e n a t u r a le n v i r o n m e n t ，w h i c hd o e sg r e a th a r mt ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t e n v i r o n m e n t f r i e n d l yc u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a lh a sb e c o m e t h eh o tr e s e a r c ha r e a sa th o m ea n da b r o a d ，b u t t h e r ei sn om a t u r ep r o d u c ti n t e r i o r l y s ot h i ss u b j e c tr e s e a r c h e df o a m i n gf o r m u l a , f o a m i n g t e c h n o l o g y , t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e ： ( 1 ) p u l pf i b e ri sa k i n do fm a t e r i a lo fn os t i c k i n e s sa n dt h ea b i l i t yo f k e e p i n gt h eb u b b l e ，a s ar e s u l t ，b o n d i n ga g e n ti sn e e d e dt oh e l pi tt or e t a i ni t sb u b b l e t h i sp a p e rr e f e rt ot h er e l a t e d t h e o r y , a n a l y s i st h ea c t i o na n de f f e c to fa d h e s i v e 、f o a m e ra n da d d i t i o na g e n t t h r o u g hal a r g e n u m b e ro f e x p e r i m e n t a l ( 2 ) i m p r o v e t h ef o r m u l ao ft h ea d h e s i v e ，m a k et h ea d h e s i v en o t o n l yh a v ee n o u g h s t i c k i n e s st ob i n d i n gp u l pf i b e r , b u ta l s oc r e a t es p o n g i o s i sw h i c hi sh o m o g e n e o u sw i t ht h e a c t i o no fa d h e s i v e ，w h e nt h ep r o d u c t i o ni sd r i e d ，i th a v es t i f f n e s sa n dt o u g h n e s s ( 3 ) o p t i m i z et h ec o n s i t i t u t i o no ff o a m e r , m a k et h ep r o d u c t i n gg a ss p e e da n dt h ep r o d u c t i n g g a st i m ea r eb e t t e r t h ef o a m e rc a nk e e pp r o d u c t i n gg a sf r o mm a t e r i a lm i x i n gt ot h ee n do f d r y i n g t h eb e s te x p e r i m e n tf o r m u l ag e t t i n gt h r o u g he x p e r i m e n t si sa sf o l l o w s ：p u l p ：5 0 9 ， p v a l 7 9 9s o l u t i o n ：1 3 9 ，s t a r c h ：1 2 9 ，p o l y a c r y l a t es o d i u m ：2 9 ，c o m p o s i t ef o a m i n ga g e n t ( b a k i n g s o d a , p o t a s s i u ma l u m ，p o t a s s i u ma c i dt a r t r a t e ，p r e c i p i t a t e dc a l c i u mc a r b o n a t e ) 1 4 9a n da d d i t i o n 川 1 和彻塑粤整粤 似 陀 e 川 m 盯 a a 射 愀 眦 胁 岣 阳_ g s s 吼 西安理工大学硕士学位论文 a g e n t ：5 5 9 ( p l a s t i c i z e r ：2 5 9 ，n u c l e a t i n ga g e n t ：3 9 ) ，f o a m i n gt e m p e r a t u r e13 0 c k e yw o r d s ：p u l pf o a m i n g ；f o a m i n gt e c h n o l o g y ；f o a m i n g m e c h a n i s m ； 概述 1 概述 1 1 前言 当今的缓冲包装材料，一般均采用泡沫塑料。塑料制品进入日常生活领域后，给人们 带来了不少便利，然而某些塑料制品造成的环境污染问题也是触目惊心的。 纸浆模塑制品足近些年发展迅猛的绿色缓冲包装材料，在小型易碎产品的缓冲包装领 域有着广泛的应用，如作为鸡蛋、易碎玻璃产品、陶瓷制品、水果、精密器件、工艺品等 产品的包装衬垫，它具有良好的缓冲保护性能。纸浆模塑制品的生产过程包括：纸浆一配 浆一成型一压榨干燥一整形包装。根据产品用途，如果生产餐具等的食品包装制品， 则需要采用符合食品卫生要求的纸浆；如果生产一般的缓冲包装材料，则可采用废纸浆。 纸浆模塑制品虽然已用于产品的缓冲包装，但是也具有一些缺点，比如烘干过程能耗 大，产品耐潮性差，耐湿性差，复原性小，再者表面比较坚硬粗糙，包装一些贵重高级商 品时，不能直接和商品的表面接触，这样就造成商品表面与纸浆模塑制品间有了间隙，就 可能产生相对移动，使商品的安全性降低。由于制品的厚度一般在5 m m 左右，缓冲性能 十分有限，目前只适宜作为鸡蛋、手机等的内衬缓冲材料，生产厂家很难制作出大平面、 高深度的纸浆模制品，所以无法满足大型家电产品如电视机、背投、电脑、显像管等电子 产品包装的需求。因此，就需要改善纸浆模塑纸品的强度与缓冲性能n 1 。 另一个方面，我国废纸产量正在逐年增加，废纸的用量虽逐年增加，但相比发达国家 还有差距，近年废纸利用率的提高主要是依靠进口废纸解决的。提高废纸的利用率，符合 可持续发展观的要求，既节约了植物资源与能源，又解决了废纸累积造成的污染，实现了 经济发展与环境保护的对立统一。结合我国实际，纸浆发泡制品的研究可促进我国废纸的 利用，减少环境污染t 3 1 。 泡沫塑料由于其特有的优势，其应用范围一直在缓冲包装材料领域内占据着首位。随 着科学技术发展，自然资源匮乏，全球气候变暖等事件的发生，人们的环境保护意识日渐 加强，此时泡沫塑料的环境不友好性更加凸显。人们迫切希望能生产出一种性能优良，又 环保的能够取代泡沫塑料的缓冲包装材料。 可降解塑料是一种在生产过程中加入一定量的添加剂，使其既具有塑料性能优势，同 时又能在自然环境中自行降解的一类塑料。可降解塑料一般又分为四大类：光降解塑料、 生物降解塑料、光生物降解塑料、水降解塑料。 瓦楞纸板是一种多层的粘合体，它是由波浪形的芯纸加上外层的面纸构成，根据芯纸 的层数和瓦楞大小又分为多种型号。瓦楞纸板具有加工性好、效率高、成本低、使用温度 范围广、缓冲性能良好、无污染等优点。它也存在一些缺点：表面坚硬、防水耐潮性差、 复原性小。随着人们日益增长的环保观念，再加上全球森林资源的匮乏和水土资源的短缺， 生产纸箱用纸所需的木材原料在许多国家也越来越受到限制，这都使得瓦楞纸板的生产受 3 西安理工大学硕士学位论文 到影响。 蜂窝纸板如其名，它的结构是受蜂巢的启发而制成的：将瓦楞原纸用黏合剂粘结起来 并形成正六边形的空间，再在它的两面黏上面纸形成夹层结构。蜂窝纸板具有强度高、重 量轻、成本低、表面平整、抗冲击性好、缓冲性好、吸声、隔热、可回收、无污染、价廉 等优点而深受市场欢迎，还能进一步取代木材，有益环保。蜂窝纸板也具有生产效率低， 其加工成型技术自动化及精度要求较高，制品表面粗糙，色彩不佳，防潮防水性能差，价 格相对高等劣势。 纸浆模塑是一种立体造纸技术，它以废纸为原料，在模切机上由不同的模具塑造出不 同形状的纸制品。纸浆模塑制品原料来源丰富；生产过程无污染；可回收再利用；体积较 小，目前在小型制品的缓冲包装领域发展十分迅猛。 植物纤维缓冲包装材料是以废弃的农作物为基本原料，避免了环境污染和资源的浪 费，保证了其环境友好性。此类缓冲材料是以植物纤维为支撑，再根据产品需要制作成不 同的几何结构，它能提供良好的缓冲性能：由于材料的特性，这种材料具有可完全降解， 材料来源广泛，价格低廉。我国是农业大国，每年产生大量的谷物、稻类的秸秆等副产品。 如果能发展此类包装材料，一方面促进农作物产品的附加值，促进缓冲包装材料的发展： 另一方面能够保护环境，实现可持续发展。 1 2 研究的目的和意义 泡沫塑料制品问世后，由于其无可比拟的优势，迅速广泛地应用于包装的各个领域中。 塑料包装物使用完毕，进入环境后，由于很难降解，造成长期的、深层次的生态环境问题： 首先，废弃塑料包装物混在土壤中，不利于农作物吸收养分和水分，从而导致农作物减产； 其次，弃置于陆地或水域中的废旧塑料包装物，可能会被动物当作食品吞入，从而导致动 物死亡( 在动物园、牧区和海洋中，此种情况经常发生) ；再次，混入生活垃圾中的废旧 塑料包装物处理起来困难：就地掩埋处理不易降解，会长期占用土地，焚烧处理会产生大 量的有害气体和黑烟，并且其热值很高，有可能烧坏炉子。混有泡沫塑料的生活垃圾不适 宜用堆肥处理，分拣出来的废塑料也因为其质量无法保证，而很难回收利用。尤其泡沫塑 料e p s ，因发泡剂采用氟氯烃系列( f 1 l ，f 1 2 等) ，会对臭氧层有产生破坏性，国际上已 经禁止使用e p s 及f l l ，f 1 2 等发泡剂。 目前，我国也已加入w t o ，主要贸易对象为发达国家。面对欧美等发达国家，包装 业面临的挑战和竞争更大，在贸易的许多方面，如产品的环境技术规章、技术标准、合格 认定以及绿色包装的要求等，都与发达国家有较大的差距。因此我们应该增强绿色包装理 念，坚持走可以持续发展的道路，积极开发和推广环保、性能优良的绿色包装，这是当今 的发展重点5 1 。 我国造纸原料中，废纸占了较大比例，若依靠进口，我国得花大量外汇买进口废纸。 中国造纸工业“十五一计划提出，要求废纸利用比重从2 0 0 0 年的4 1 提高到2 0 1 0 年的 4 概述 4 8 ，2 0 1 5 年达到5 5 ，其中，国产废纸利用比重达到4 3 。同时，我国每年产生的大 约1 4 0 0 万吨废纸，对比日本、德国等国家，我国的废纸回收率很低，只有3 0 。近年废 纸利用率的提高主要是依靠进口废纸解决的，应引起有关方面重视，需要加大措施，提高 国内废纸回收率6 - 。 本课题所用基本原料为废纸浆，既可以替代各种泡沫塑料制品及木制品，保护环境； 也可以有效提高废纸的回收利用率，促进经济的可持续发展。 1 3 国内外研究现状 近年来，由于白色污染所造成的危害越来越明显，人们开始重视新型环保材料的开发， 国内外许多科研院所和企业已对纸浆发泡材料做了大量的工作。 国内方面的研究主要是添加化学发泡剂，使用化学发泡的方法，取得一定的成果： ( 1 ) 广东工业大学研究了纸浆制品的真空发泡成型技术。这一技术的发泡过程可以 在模腔外进行，也可在烘干过程中进行，其发泡为不超过1 5 0 。c 的低温发泡。 ( 2 ) 武汉远东绿世界公司的纸浆发泡制品，采用了双发泡工艺技术，目前可应用于 加点产品包装。该产品的主要材料为高纤维填充物和淀粉，混合发泡剂后，进行低温发泡 造粒，再由高温发泡成型。产品缓冲性能优良、强度大、质轻价廉。 ( 3 ) 南通工业学院采用整体浇注一步成型发泡法，选用天然植物纤维为基本材料， 添加以碳酸氢钠、碳酸氢铵为主的发泡剂、黏合剂。制得的产品可完全降解，但对模具和 工艺的要求较高。该学院目前已经对产品特性进行检测7 1 。 ( 4 ) 西安理工大学印刷包装工程学院所进行的纸浆模塑制品的发泡研究，在材料选 取、设计正交实验两方面做了大量探索性实验。初步确定了试验主要配方由四部分组成： 纸浆、黏合剂、发泡剂、助剂，以及各个部分的主要作用；实验后期，设计正交实验，确 定各个部分的最佳用量，并对试验制品做了性能测试。最后得到的发泡材料具有一定的缓 冲性能，达到最初的研究目的1 。 国外方面： ( 1 ) 德国的p s p 公司对纸浆发泡技术也进行了深入的研究。该工艺是以纸浆和面粉 2 ：l 混合，送入挤压机中制成圆柱形颗粒。在挤压的过程中，水受热变成水蒸气发泡，形 成发泡纸颗粒。再根据实际的包装需要，利用发泡纸颗粒制作成不同形状尺寸的包装制品。 这种纸浆发泡技术不添加化学发泡剂，一次成型，工艺简单，其生产成本要比泡沫塑料便 宜1 0 8 1 。生产出的缓冲材料性能优异，应用潜力巨大，不仅应用于包装领域，还能够 继续开发作为建筑材料。 ( 2 ) 干式纸浆发泡技术是由日本工业技术研究所研制。这种材料以废纸为基本原料， 安全环保。将废纸粉碎成长度不超过5 m m 的纸屑，混合淀粉浆糊，再进行造粒，粒子直 径约为1 3 m m ，再将粒子吹入金属模具。经过加压加热，淀粉浆糊中的水份变成水蒸气 升华，完成发泡过程，该制品的厚度和发泡度可由模具控制。这种技术的优点就是基材纸 s 西安理工大学硕士学位论文 为干燥的纸屑，不需要配备干燥设备和废水处理设备阳1 。 ( 4 ) 一家英国公司生产出一种叫做“弗列特拉 的包装材料。这种材料是由一些纸 卷组成，纸卷上有许多的小裂口，拉开纸卷，它就变成类似蜂窝纸板的立体蜂窝状纸板， 厚度增大九倍，表面积增加2 0 ；不拉开时，占据空间小，便于储运。这种材料是由再 生纤维制成，可以完全生物降解和回收使用，且缓冲性能优异，可以替代泡沫塑料包装产 口i 1 0 1 日日 。 值得注意的是，国外的纸浆发泡制品多是以物理发泡法为主，其制造工艺复杂，设备 昂贵，并不适合我国的现状。 1 4 主要研究内容 本课题在文献【l 】的大体结构上，查阅相关资料，找出影响纸浆发泡效果的主要因 素。针对这些影响因素，提出多个试验方案，在试验中摸索各种材料对发泡制品的影响： 然后通过大量试验选择合适的材料，确定各项材料用量，优化试验配方及试验工艺，不断 摸索、改进，得出最佳试验方案，实现纸浆制品的发泡。 本论文的主要内容： ( 1 ) 通过实验，分析纸浆中纸毛纸屑的组成对发泡效果的影响，选择最佳的纸毛纸 屑比例； ( 2 ) 研究试验中影响黏合剂稳定性的因素，选择使黏合剂达最佳效果的水平。设计 正交实验确定黏合剂的最佳配方及黏合剂的最佳含量； ( 3 ) 设计正交实验确定发泡剂的最佳配方，确定发泡剂的最佳含量： ( 4 ) 从实验温度，发泡压力等方面入手，改进试验工艺，观察并分析试样变化。 6 缓冲包装材料概述 2 缓冲包装材料概述 2 1 环境友好型缓冲包装材料 缓冲包装材料中，纸制品的历史较长，但由于其材料的不耐水、缓冲性能有限等特性， 随着泡沫塑料制品的出现，它的发展受到了限制。新世纪以来，随着人们环保意识的增强， 民众对缓冲材料环保型要求提高，纸制品又重新受到了重视。目前比较常见纸质缓冲包装 材料有瓦楞纸板和蜂窝纸板。 此外新型可降解塑料和新的包装方法也促进了非环保型材料的落幕。 ( 1 ) 瓦楞纸板 瓦楞纸板是个多层的黏合体，它由最少一层芯纸( 也称“瓦楞纸 ) 和一张面纸组合 而成。瓦楞纸板具有加工性良好、成本低、较高的机械强度，使用温度范围比泡沫塑料广、 没有包装公害等优点。但也存在一些缺点：比如表面较硬，在包装高级商品时不能直接接 触内装物的表面，使内装物与缓冲纸板之间出现相对移动而损坏内装物表面；耐潮湿性能 差；复原性小等1 。 根据瓦楞纸板的瓦楞芯纸有a 、b 、c 、e 四个型号；根据瓦楞的波形形状，有v 型、 u 型、u v 型三种。不同的芯纸和面纸又有多种组合。 根据瓦楞的层数，可分为如表2 1 所示。 表2 - 1 瓦楞纸板的分类 t a b2 - it h ec l a s s i f i c a t i o no fc o r r u g a t e db o a r d 序号名称特征 l 单楞单面瓦楞纸扳由一张芯纸和一张面纸黏合而成 2 单楞双面( 三层) 瓦楞纸板由一张芯纸和两张面纸黏合而成 3 双楞双面( 五层) 瓦楞纸板由两张芯纸和五张面纸黏合而成 4 三楞双面( 七层) 瓦楞纸板由三张芯纸和七张面纸黏合而成 ( 2 ) 蜂窝纸板 蜂窝纸板生产工艺简单、耗材少、与其它各种板材结构相比，具有最大的强度质量 比，因而其制成品的性能价格比好：蜂窝纸板的内芯充满了空气且互相不流通，因而它 具有良好的防振、隔音、隔热性能：蜂窝纸板的内芯密度与发泡塑料相当，它具有很好的 抗压、抗拆能力；完全纸浆和水溶性黏合剂制成，对自然环境无危害；蜂窝纸板可以作为 家用电器、精密仪器、易碎物品的缓冲包装材料，是替代木制缓冲包装材料的一种选择。 蜂窝纸板的劣势在于它的生产效率低，加工费用较高 1 3 1 0 ( 3 ) 纸浆模塑制品 7 西安理工大学硕士学位论文 纸浆模塑制品使用废纸浆为主要材料，根据产品需要，利用模具制成各种不同几何结 构。目前纸浆模塑制品应用领域非常广泛，如食( 药) 品盛放、电器包装、种植育苗、医 用器皿、工艺品底坯和易碎品衬垫包装等，如图2 1 所示n 钉。 纸浆模塑制品是通过自身的特殊结构，在受到冲击时，通过结构变形延长冲击时间、 吸收冲击能量，从而减少商品受到的冲击和振动。对于纸浆模塑制品来说，其结构设计对 缓冲性能有着决定性的影响。目前的纸浆模塑制品都比较薄，无法应用于大型产品的缓冲 包装n 柚。 纸浆模塑制品主要是利用废旧报纸、纸箱作为主要原料，材料来源非常广泛；纸浆模 塑制品可回收利用、可降解，添加特殊工艺后，具有良好的防水、防油性能，在某些领域 可完全替代塑料发泡制品“。另外纸浆模塑制品技术经过数年的发展创新，设备性能不 断改进，生产工艺逐步成熟，产品生产成本趋于稳定。目前国内纸托制品的生产成本已基 本与泡沫塑料制品持平，有些纸托制品成本已明显低于泡沫塑料制品。目前纸浆模塑生产 工艺有两大类：真空成型法和注浆成型法n 。 图2 - 1 纸浆模塑缓冲包装制品 f i g2 - 1p u l pm o u l d i n gp r o d u c t s ( 4 ) 可降解塑料 按照降解机理的不同，降解塑料可分为三大类：光降解性塑料、生物降解性塑料、光 生物降解性塑料。 生物降解，其降解机理是有机物质( 如石油) 通过活生物，如微生物、细菌等作用所 进行的生物分解，最终使化合物转化为二氧化碳和水。某些物质生物降解得更快、更安全， 某些物质则可能会降解为较小的中间分子，这种降解被称为初级降解。这些分子一般是最 8 缓冲包装材料概述 终生物降解的中间产物，但是在某些特殊情况下，它们可能会比原来的污染物存在更长时 间，毒性更大。生物降解塑料依据官能结构，可以分为聚酯和聚醇两大类1 盯。 光降解塑料：一种方法是将光敏感性官能基接在聚合物主链或者侧链上；另一种方法 是将这些敏感基作为添加剂加入到聚合物中。这样当这种塑料暴露在阳光下，就会产生自 由基，引起聚合物降解 1 9 1 。光降解塑料当处于海洋中时，它容易接触到阳光，能够保证 分解的进行；但当这类塑料处于陆地上时，一旦被埋入土中失去光照，也就无法进行降解 过程。 光降解塑料可分为共聚型和添加剂型两类。光生物降解塑料则属于组合降解塑料， 兼具以上两种降解塑料的特点。 降解塑料的研究与应用也存在一些问题，如表2 2 所示。 表2 - 2 降解性塑料面临的问题m 1 t a b2 - 2t h ep r o b l e m so fd e g r a d a b l ep l a s t i c s 问题领域存在的问题 降解塑料的可控性，精确控制降解反应的诱导期，这是开发降解塑 l 技术问题料的关键问题。如生物降解塑料降解过程中的二次污染；光降解塑 料对于不同地理气候环境的影响，降解时间和速度的变化等。 可降解塑料的技术成分含量比普通塑料高，价格也要高。据相关资 2成本问题 料显示，降解塑料的价格是一般聚乙烯、聚丙烯等价格的4 至1 0 倍。 评价试验目前国际上，降解塑料的定义尚不完善，测试技术、评价方案、识 3方案和标准别标志和产品检测标准都没有统一，存在分歧，导致了技术市场和 问题产品市场的混乱。 ( 5 ) 植物纤维类缓冲包装材料 植物纤维类缓冲包装材料是以植物纤维( 秸秆、果渣等) 和淀粉，再加上多种助剂制 作而成。这种材料不污染环境、制作工艺简单、成本低廉、材料来源广泛、缓冲防振性能 优良。它不仅可以做成缓冲衬垫，还可以做成填充材料。 我国是一个农业大国，植物秸秆资源丰富，但大部分都作为产热材料使用掉；每年各 种水果加工后的果渣也具有上千万吨。植物纤维类缓冲包装材料能够有效的解决这部分过 剩材料问题唧1 。 ( 6 ) 散装材料 散装材料也称为无定形材料，其材料种类较多，主要有塑料丝、木屑、木丝、纸丝、 泡沫块、草类等。用废纸和淀粉为原料制成的包装用泡沫填料，是将废纸或劣质纸张切成 或粉碎成细末，碾成独特的纤维，再与淀粉掺和在一起，然后应用发泡的方法使其形成多 孔的小球。用这种小球作包装用泡沫填料，能承受的冲撞优于聚苯乙烯，且便宜，更重要 9 西安理工大学硕士学位论文 的是这种材料丢弃以后，能很快地被微生物和真菌分解。不会对环境带来不良影响。这类 材料来源广泛，价格低廉，且可以就地取材，能有效填充包装缝隙，具有良好的缓冲效果。 散装材料多用于重量不太大的物品包装 2 1 l , 如图2 - 2 所示 2 2 1 。 ( a ) 聚苯乙烯球状缓冲填料 ( a ) p sg l o b u l a rc u s h i o np a c k i n g ( b ) 聚乙烯缓冲填料 ( b ) p ec u s h i o np a c k i n g ( c ) 木丝缓冲填料( d ) 纸丝缓冲填料 ( c ) w o o d w o o lc u s h i o np a c k i n g( d ) s c r a pp a p e rc u s h i o np a c k i n g 图2 - 2 散装材料 f i g2 - 2b u l kb u f f e rm a t e r i a l ( 7 ) 纸浆发泡制品 如今的缓冲包装材料中，泡沫塑料类材料无疑在性能上有着巨大的优势，但它危害环 境，回收利用率低；纸制品则在自然降解和回收再利用方面占有优势。如果能够将纸浆制 品和泡沫塑料两者组合，优势结合，生产出一种由纸浆做基材，又有着泡沫塑料缓冲性能 的新型包装材料，这种材料无疑有着巨大的市场潜力，也是今后缓冲材料的发展趋势n 。 新型的可降解性塑料目前还有着诸多问题，如对降解的精确控制不够，产品成本高昂， 产品没有统一的国际规范，市场混乱；近年的纸浆模塑制品则由于工艺限制，厚度较小， 主要靠几何结构吸收冲击和振动能量，缓冲性能有限，对大型产品缓冲保护不够；纸浆发 泡制品无疑是良好的解决方案。 1 0 缓冲包装材料概述 在材料来源方面，纸浆发泡制品的主要材料是废纸浆，废纸浆主要是由废旧报纸、废 旧书刊、废纸箱、切边纸、各种高档废纸等。这些材料来源丰富，取材方便，价格低廉； 生产工艺方面，可以采用传统物理发泡法或者化学发泡法，这些工艺已经应用多年，工艺 成熟，生产效率高。纸浆发泡制品还可以针对不同的产品制成相应的几何形状，适应包装 产品的需要；对不同的产品、不同的环境需要，控制纸浆纤维的长度，纸浆浓度及发泡度 来达到性能要求和节省纸浆；添加助剂，提高产品的防水、防油等性能；加入染料，使产 品具有各种颜色。本课题主要研究了添加剂对材料发泡和材料性能的影响，对这一材料的 产业化应用具有促进作用。 2 2 非环境友好型缓冲包装材料 此类包装材料由于其优秀的缓冲性能，曾广泛占据着缓冲包装材料领域。但随着这些 材料造成的环境危害日渐显露以及消费者环保意识的增强，越来越多的国家对此类材料提 出了严格的要求。 ( 1 ) 泡沫塑料 泡沫塑料是以合成树脂为基体材料，经发泡作用形成的一种具有微孔结构的物质。它 密度小；冲击吸收性好，具有很好的防振效果；机械性能好，有良好的抗压强度和回弹性； 化学稳定性好，抗酸、碱、盐腐蚀，且自身p h 值呈中性；耐水，耐湿，隔音，绝热，温 度适应性强；加工性能好，用途广泛，可以根据生产需要制作成不同的形状，厚度，密度。 泡沫塑料的一大缺点就是它的环保性差，自然状态下无法降解，回收利用率极低，不符合 可持续发展的要求田l 。 泡沫塑料具有多种分类方式。按泡沫结构不同可分为开孔型和闭孔型：微孔问互相连 通的称为开孔型泡沫塑料，互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料嘲1 。按引入空气的方式，又 分为物理发泡法，机械发泡法，化学发泡法，如表2 - 3 所示。 表2 - 3 发泡工艺方法2 妇 t a b2 - 3f o a mp r o c e s s 序号方法定义 将低沸点烃类或卤代烃类溶入塑料中，受热时塑料软化，同时溶入的液 l物理发泡法 体挥发膨胀发泡 2 机械发泡法通过搅拌，把空气或其他气体引入液态塑料中 使h j 化学发泡荆，它们在受热时分解放出气体 3化学发泡法 利用聚合过程中产生的副产品气体 按化学成分不同，泡沫塑料可分为聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚丙烯泡 沫塑料等。按密度不同泡沫塑料可分为低发泡、中发泡和高发泡。一般密度大于0 4 9 c m 3 西安理工大学硕士学位论文 的称为低发泡；密度在0 1 - - - 0 4 9 c m 3 之间的称为中发泡；密度小于0 1 9 c m 3 的称为高发 泡。按材料的硬度分类，可分为硬质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料，如表 2 4 所示。 表2 4 泡沫塑料的分类 类别 定义 无柔韧性，压缩硬度大，应力达到一定值方产生变形，解除应力后本能恢 硬质泡洙塑料 复原状的泡沫塑料 半硬质泡沫塑料柔韧性介于硬质和软质泡沫塑料之间的泡沫塑料 富有柔韧性，压缩硬度很小，应力解除后能恢复原状，残余变形较小的泡 软质泡沫塑料 抹塑料 按机械性能不同，泡沫塑料可分为软质、半硬质和硬质三种，划分是以泡沫塑料的弹 性模量为标准的。在2 3 、相对湿度5 0 时，弹性模量高于6 8 6 m p a 的称为硬质泡沫塑 料：弹性模量在6 8 6 - - - 6 8 6 m p a 之间的称为半硬质泡沫塑料：弹性模量小于6 8 6 m p a 的称 为软质 ( a ) 聚苯乙烯泡沫塑料 ( a 1p sf o a m e dp l a s t i c ( b ) 聚乙烯泡沫塑料 ( b ) p ef o a m e dp l a s t i c ( c ) 聚氨酯泡沫塑料( d ) 聚氯乙烯泡沫塑料 ( c ) p uf o a m e dp l a s t i c( d ) p v cf o a m e dp l a s t i c 图2 3 泡沫塑料缓冲包装材料 f i g2 - 3f o a m e dp l a s t i cc u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a l ( 2 ) 气垫缓冲材料 气垫缓冲包装材料，早期为气垫薄膜。气垫缓冲材料是由p v c 薄膜高频热压成型， 】2 缓冲包装材料概述 内充氮气，外形有圆形、椭圆形等多种形状。 气挚缓冲材料密度小、不怕湿、耐腐蚀、透明且富有弹性、缓冲性能良好。但它容易 受周围环境影响而产生气体的膨胀和收缩，膨胀时会对包装产品和外包装箱产生压力，收 缩时则相对产品产生空隙，从而使产品安全性降低；它还不能包装有尖锐凸出和重量大的 产品，以免造成气泡被压破或刺破。目前日本松下公司的d v d s 机等产品，已经使用气 垫缓冲包装材料t 2 q , 如图2 4 所示“。 图2 4 气垫缓冲包装材料 f i g2 4a i rc u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a l 2 3 缓冲包装及缓冲机理 2 3 1 缓冲包装的理论基础 缓冲包装的目的是防止产品在装卸、运输、储存、销售等整个流通过程中遭受冲击和 振动而产生机械损伤。 每一个产品都有一个在不发生机械损伤时所能承受的冲击加速度的极限值，这就是它 的脆度，或称允许加速度。当产品在流通过程中所受到的冲击加速度大于其脆值时，产品 就会损坏。因此包装工作者应通过包装设计，选用合适的缓冲包装结构和合适的缓冲包装 材料，是产品放置在一个将外界冲击振动隔离或者减少的一个环境中，是产品在装卸、运 输、储存、销售等整个流通过程中，所受到的冲击加速度都小于其脆度 2 7 1 0 2 3 2 缓冲包装的设计要求 缓冲包装的目的是运输、装卸过程中，当发生振动、冲击等外力作用时，保护被包装 西安理工大学硕士学位论文 产品的性能和形态，缓冲包装设计应符合许多要求，具体要求如表2 5 所示。缓冲包装设 计需要考虑的因素如表2 - 6 所示。 表2 - 5 缓冲包装设计要求 t a b2 - 5t h er e q u i r eo fc u s h i o np a c k a g i n gd e s i g n 1 减小传递到产品上的的冲击、振动等外力 2 分散作用在产品上的虑力 3 保护产品的表面及凸起部分 4 防i = 产品的相互接触 5 防止产品在包装容器内移动 6 保护其他防护包装的功能 表2 - 6 缓冲包装设计要素 t a b2 - 6t h ee l e m e n to fc u s h i o np a c k a g i n gd e s i g n l产品的需用脆值、形状、尺寸、重量、体积、重心、数量 2 流通过程中的环境条件，如运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度， 冲击方向、气候条件、存储条件 3 包装材料的特性 4 外包装容器的结构形状、结构、材质及强度 5 封合材料的特性 6包装的工艺性 7 其它的包装方法，如防潮、防水、防锈、防尘等 2 3 3 缓冲包装的形式 从缓冲形式上看，缓冲包装方法分成两大类：全面缓冲包装、局部缓冲包装和悬浮式 缓冲包装鹦1 。 全面缓冲包装法是指包装容器内的多余的空间，全部都用缓冲材料进行填充固定，对 产品进行全面防护的方法，如图2 5 所示。全面缓冲包装所用的材料一般为丝状、片状或 粒状的散装材料，这样能够对形状复杂的产品进行能良好的填塞，有效的缓冲，吸收能量， 分散外力，保护被包装产品。 1 4 图2 - 5 全面缓冲包装 f i g2 - 5o v e r a l lc u s h i o np a c k a g i n g 缓冲包装材料概述 局部缓冲包装法是对被包装产品适当的部位进行缓冲包装，获得最安全、最经济的包 装效果，如图2 - 6 所示。这种方法主要使用泡沫塑料成型缓冲衬垫、充气塑料薄膜缓冲垫、 橡胶弹簧等作为缓冲体。 缓冲衬垫 图2 - 6 局部缓冲包装 f i g2 - 6l o c a lc u s h i o np a c k a g i n g 悬浮式缓冲包装法是用弹簧把被包装物品悬吊在外包装容器内，使包装件在遭受外力 作用时，产品在各个方向都能得到缓冲保护，这种包装如图2 7 所示。 图2 7 悬浮式缓冲包装 f i g2 - 7s u s p e n s i o nc u s h i o np a c k a g i n g 2 3 4 缓冲机理 在流通环境中，引起商品破损的原因主要是运输环境中的冲击和振动。所谓振动指 的是物质系统的状态的某种周期性变化。某个物理量的值在观测的时间内不断的经过极大 值和极小值的改变，这种变化状态叫做振动。物体在平衡位置附近所做的周期性往复运动， 称为机械振动。机械振动有很多种，如表2 7 所示。 表2 7 机械振动分类 t a b2 7t h ec l a s s i f i c a t i o no fm e c h a n i c a iv i b r a t i o n 分类方式分类 自由度单自由度、多自由度、连续介质系统 运动的方程线性振动、非线性振动 西安理工大学硕士学位论文 对系统的输入类型自由振动、强迫振动、自激振动 输出的规律周期振动、随机振动 对任何一个受到振动的系统来说，一般都可以认为这种振动是由振源向振动系统输入 了信号，系统所做的响应。 实际的振动系统都比较复杂，为了便于分析和计算，通常将包装件简化为简单的力学 模型。被包装产品看成是均质刚体，外包装箱的弹性和质量忽略掉，缓冲材料的质量也忽 略掉，缓冲材料视为具有粘性和阻尼的弹性体，这样整个缓冲包装件就简化成一个只有质 量、弹簧和阻尼三种参数的系统啪1 ，如图2 8 所示。图中m 表示产品质量，k 表示缓冲 衬垫的弹性系数，c 表示缓冲衬垫的粘性阻尼系数。 刀2 图2 - 8 单自由度系统 f i g2 - 8s i n g l ed e g r e eo ff r e e d o ms y s t e m 产品上最关键、最灵敏、最脆弱的部件往往是最容易破损的，我们称这种件为易损件， 如图2 - 9 。当需要分析易损件的响应而无需计入外包装箱质量时，可以把这种包装简化为 图2 1 0 所示的二自由度系统模型。m l 、m 2 分别代表易损件和产品的质量，k 1 、c 1 分别 是易损件与产品间的弹性系数和阻尼系数，l ( 2 、c 2 分别是产品主体与外包装箱间缓冲材 料的弹性系数和阻尼系数。 易损零件 1 6 图2 - 9 易损件 f i g2 - 9q u i c k - w e a rp a r t 缓冲包装材料概述 聊j 图2 1 0 多自由度系统 f i g2 10t w od e g r e eo ff r e e d o ms y s t e m 当外包装箱很重以至其质量不能忽略时，这种包装件就可以简化为图2 1 l 所示的三 自由度系统模型。这时m l 、m 2 和m 3 分别代表易损件、产品和外包装箱的质量，k l 、c 1 分别代表易损部件与产品主体之间的弹性系数和阻尼系数，k 2 、c 2 分别代笔主体和外箱 之间的弹性系数和阻尼系数。 曰 图2 一l l 多自由厦系统 f i g2 - 1lt h r e ed e g r e eo ff r e e d o ms y s t e m 由缓冲材料的弹性系数k 和阻尼系数c ，计算得入和毛的值。针对不同的产品，需要 选择不同的包装形式和包装材料，当包装件受到外力或者跌落的时候，通常选定的值使得 在给定的情况下传递率最低。此时缓冲材料的能够降低振动的传递率，减小产品受到的冲 击力，降低产品的振动振幅，保护被包装产品。 1 7 西安理工大学硕士学位论文 1 8 试验技术与理论 试验技术与理论 3 1 发泡技术 发泡技术是利用物理发泡法或者化学发泡法使材料发泡( 开孔或闭孔) ，达到轻量、 缓冲、吸音、吸振、保温、包装等功能的技术。依据不同的产品，发泡技术也有着不同的 应用和作用，大致可以分为物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法。 ( 1 ) 物理发泡法 物理发泡法即是利用物理的方法使材料发泡，一般有三种方法 3 0 i ： 1 ) 先将惰性气体在压力下溶于塑料或糊状物中，再经过减压释放出气体，从而在糊 状物中形成气孔而发泡。 2 ) 通过对溶入聚合物熔体中的低沸点液体进行蒸发，使之汽化而发泡。 3 ) 在塑料中添加空心球而形成发泡体而发泡等。 物理发泡法所用的物理发泡剂成本相对较低，尤其是二氧化碳和氮气的成本尤其低， 无污染、还能阻燃，因此应用价值较高：而且物理发泡剂发泡后没有残留物，对发泡材料 性能的影响不大；与化学发泡法相比，物理发泡法能达到的发泡度明显较高，以p e 为例， 化学发泡能达到的最高发泡度为5 0 ，而物理发泡能达到的最高发泡度为8 0 。物理发 泡需要专用的注塑机及辅助设备，技术难度较大，成本较高 3 1 l 。 ( 2 ) 化学发泡法 化学发泡法是利用化学法产生气体来使材料发泡；对加入材料中的化学发泡剂进行加 热，使之受热分解释放出气体而发泡；另外也可以利用各材料组分之间相互发生化学反应 释放出气体而发泡。 化学发泡剂又分为有机发泡剂和无机发泡剂两类。无机发泡剂主要有碳酸氢铵、碳酸 钠、碳酸氢钠等。有机发泡剂主要用于塑料发泡工艺，分为偶氮化合物和亚硝基化合物等。 选用化学发泡剂一般要遵循以下几条原则1 3 2 1 ： 1 ) 反应温度符合试验或生产要求； 2 ) 具有良好的稳定性，保证贮存和流通环节的安全性； 3 ) 分散性好，发气量足； 4 ) 价格便宜，来源广泛； 5 ) 反应生成的气体及残余物应无色、无味、无毒，且对试验其它组份无影响。 ( 3 ) 机械发泡法 机械发泡法是利用机械的快速搅拌作用，将空气混入制品中，从而达到制品体积膨大 发泡。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 微孔发泡原理 微孔发泡分为间歇型微孔发泡、连续挤出微孔发泡和注射成型微孔发泡，它们的发泡 原理基本相同。微孔发泡过程主要分为以下几个阶段阳1 ： ( 1 ) 气泡成核 化学发泡剂和混合物均匀混合后，通过化学反应产生气体，形